桑樹坪二號井礦預掘巷道頂板梳狀定向鉆孔關鍵技術

楊 哲，栗子劍，李 鵬

（中煤科工集團西安研究院有限公司 西安710077）

桑樹坪煤礦二號井為煤與瓦斯突出礦井，目前，主采煤層為3#煤層，3#煤層以煤體破碎、瓦斯壓力大、滲透性低的碎軟煤為主，瓦斯含量7.65～15.98 m3/t。目前，該礦瓦斯預抽主要以井下常規(guī)鉆孔為主[1-8]，但該方法存在成孔率低、抽采面積小、無效進尺多、施工效率低等缺點，瓦斯預抽效果不理想，嚴重影響礦區(qū)安全生產。

為解決該礦瓦斯抽采難題，緩解礦井采掘接續(xù)緊張局面，擬在礦井三采區(qū)北帶式輸送機大巷向3#煤層頂板巖層首次采用梳狀長鉆孔水力壓裂瓦斯預抽技術[9-15]，梳狀定向長鉆孔軌跡控制是該技術應用的前提和基本保障。為此對影響梳狀定向長鉆孔施工工藝、軌跡控制、分支側鉆、原孔重入等關鍵技術進行研究，為水力壓裂和后續(xù)瓦斯抽采提供可靠通道，實現(xiàn)安全高效抽采預掘巷道瓦斯，保障礦井巷道安全掘進。

1 頂板梳狀定向鉆孔布局

1.1 定向鉆孔布局

頂板梳狀定向鉆孔由布置在近煤層頂板的主孔和進入煤層的分支孔構成。本次實施的梳狀孔主孔布置在頂板上部3～5 m 穩(wěn)定且可鉆性較好的粉砂巖層位。既保證主孔成孔率和鉆效，又可避免主孔進入煤層。

分支孔鉆進應盡可能在煤層中延伸，增加瓦斯泄流面積。分支孔布置時需根據(jù)煤層瓦斯?jié)舛?、壓力、透氣性、抽采方式及抽采半徑等因素合理確定分支孔間距。保證前一分支在煤層中抽采邊界與下一分支抽采范圍有效銜接，防止存在抽采盲區(qū)。如后續(xù)采用水力壓裂技術進行改造，可適當延長分支孔間距。掩護巷道掘進梳狀孔平面示意圖如圖1。

圖1 掩護巷道掘進梳狀孔平面示意圖Fig.1 Layout plan of comb hole to cover roadway excavation

本次施工鉆孔沿預掘巷道方位線延伸580 m，剖面軌跡沿煤層走向鉆進。因梳狀鉆孔掩護巷道掘進，分支孔全部位于主孔下部，進入煤層后，軌跡延伸方位與預掘巷道保持一致，軌跡左右位移量不超過預掘巷道寬度。

根據(jù)主孔設計長度及預抽范圍，共設計9 個分支孔，每間隔50 m 向前開分支，實際施工中，分支孔間距根據(jù)實鉆軌跡進入煤層的夾角進行調整，采用合理的入煤傾角可延長分支在煤層中的平面延伸距離。同時，鉆進中需根據(jù)各分支軌跡在煤層中延伸的長度，實時調整各分支間距。

1.2 定向鉆軌跡計算方法和施工裝備及機具

1）定向鉆軌跡計算。頂板梳狀軌跡計算模型采用均角全距法，根據(jù)隨鉆儀器測量軌跡位置某點的傾角θ、方位角α 及孔深L，計算該點的水平位移x、左右位移y 和上下位移z，計算公式如下：

式中:△Li為兩測點間距；θi、θi-1為鉆孔i、i-1 測點的傾角，（°）；αi、αi-1為i、i-1 鉆孔、測點的方位角，（°）；λ 為主設計方位角，（°）。

2）施工裝備及機具。施工頂板梳狀鉆孔采用鉆機、儀器、泥漿泵及鉆具如下：①ZDY-6000LD(B)履帶式全液壓坑道鉆機，提供鉆探動力；②YHD2-1000T（A）隨鉆測量系統(tǒng)，測量軌跡參數(shù)；③3NB-320泥漿泵，用于循環(huán)沖洗液；④φ73 mm 通纜鉆桿，用于傳遞孔口扭矩；⑤φ73 mm 四級螺桿馬達，用于造斜及提供定向扭；⑥φ73 mm 無磁鉆桿，用于屏蔽磁場干擾；⑦φ98 mm 三翼拋物線型PDC 鉆頭，用于定向及回轉鉆進；⑧φ98 mm 四翼平角型PDC 鉆頭，用于開分支側鉆；⑨φ133 mm 內凹式PDC 鉆頭，用于開孔段；⑩φ133 mm/φ193 mm 擴孔鉆頭，用于開孔段；11○孔口防噴裝置，用于防止瓦斯噴孔。

2 頂板梳狀定向鉆孔關鍵技術

2.1 煤層開孔段施工工藝

受礦井施工條件限制，頂板梳狀鉆孔需在本煤層開孔，礦區(qū)內3#煤層松軟、破碎、穩(wěn)定性差，易發(fā)生卡鉆、埋鉆、噴孔等事故。如開孔階段常采用清水攜渣，沖蝕作用會加速煤層的垮塌。為提高成孔率，開孔段采用空氣鉆進，借助煤礦井下壓風系統(tǒng)，以空氣為攜渣介質，選用寬翼片螺旋鉆桿提高排渣效果。

開孔段應盡量增大開孔傾角，減小鉆孔在碎軟煤層的段長，快速穿過煤層至頂板。根據(jù)現(xiàn)場施工巷道高度、定向鉆機能力及煤層傾角等參數(shù)，確定開孔傾角為12°。主孔進入頂板穩(wěn)定巖層6 m，下入φ178 mm 套管，采用全孔段水泥固孔，試壓合格后方可進行二開施工。

開孔段采用空氣鉆進，一開鉆進先導孔鉆具組合為：φ133 mm 內凹式PDC 鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿，擴孔鉆具組合：φ133 mm/φ193 mm 擴孔鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿。

2.2 分支孔施工工藝

根據(jù)實鉆地層狀況、施工周期、設備機具和后續(xù)抽采方式等不同，定向段主要有“前進式”和“后退式”2 種鉆進方式。其中“前進式”鉆進方式本質上是1 個分支孔疊加在另1 個分支孔上，實時探煤層，實時修正主、分支孔設計軌跡，同時易于實現(xiàn)鉆具和工具原孔重入。由于本次施工后期需下入分段壓裂管工具至孔底，對主孔重入要求較高，故采用前進式開分支鉆進方法。“前進式”鉆進方法施工流程圖如圖2。

2.3 分支鉆孔軌跡控制

圖2 前進式施工工藝流程圖Fig.2 Flow chart of forward construction process

由于煤層起伏走向的不確定性，梳狀鉆孔在近煤層頂板延伸的深度和傾角也存在不確定性，施工時不能完全按照設計執(zhí)行，而要緊密結合巖屑和鉆時變化綜合分析，實時調整軌跡控制策略。為確保鉆孔沿設計軌跡延伸，全孔采用YHD2-1000T（A）隨鉆測量系統(tǒng)每鉆進3 m 測斜1 次，實時監(jiān)控、調整鉆孔軌跡，頂板穩(wěn)定巖層平均造斜率0.4°/m。鉆進至煤層后為保證軌跡平滑，孔壁穩(wěn)定性，采用多回轉少滑動的鉆進方式，平均造斜率為0.17°/m。

分支孔軌跡控制采用分段控制原則，前進式開分支軌跡控制剖面圖如圖3。

圖3 前進式開分支軌跡控制剖面圖Fig.3 Forward branch trajectory control profile

Ln分支施工時，a 段軌跡工具面放至增傾角+增（降）方位，b 段軌跡工具面擺至穩(wěn)傾角+增（降）方位，c 段軌跡工具面擺至降傾角+降（增）方位，d 段軌跡采用穩(wěn)傾角+穩(wěn)方位方案進入煤層。

Ln+1分支施工時，退回至預留開分支點，a 段軌跡工具面擺至強降傾角開分支，上下位移x 方向與原軌跡分離，b 段軌跡工具面擺至降傾角+降（增）方位，左右位移y 方向與原軌跡分離，c 段軌跡采用穩(wěn)傾角+穩(wěn)方位沿設計方位角λ 鉆進，d 段軌跡工具面放至增傾角+增（降）方位，沿煤層傾角和設計方位角鉆進。

二開定向段采用的鉆具組合為：φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 螺桿馬達+隨鉆測量儀器+φ73 mm 上無磁鉆桿+φ73 mm 通纜鉆桿串。

由于梳狀鉆孔需要掩護巷道掘進，軌跡延伸方位既要考慮到頂板和煤層在上下位移x 的偏差，也要兼顧左右位移y 不超過巷道邊緣。隨鉆測量儀器的測點與鉆頭存在約3 m 盲區(qū)，孔底傾角、方位角需要根據(jù)已鉆地層造斜率進行預測，故軌跡控制對現(xiàn)場定向人員提出了更高的要求。

2.4 頂板梳狀鉆孔開分支

頂板梳狀鉆孔懸空側鉆開分支鉆頭處的側向切削力主要依靠鉆具自重提供，扭矩則由螺桿馬達提供。為更好增加鉆頭側切力，本次側鉆施工優(yōu)選造斜能力更強的φ98 mm 四翼平角型PDC 鉆頭。開分支作業(yè)時，將工具面擺至強降傾角位置（175°～185°），在側鉆點前2～3 m 處開泵進行劃槽作業(yè)，劃槽30～40 min 后，控時鉆進，第1 m 鉆時保持在1 h/m，第2 m 鉆時保持在50 min/m，依次遞減10 min，直到孔口返水顏色變化，有明顯巖屑顆粒。此時，可適當提高給進壓力，孔底工具面反扭角有顯著變化，鉆頭充分切削新地層，表明側鉆成功。根據(jù)后續(xù)測斜數(shù)據(jù)驗證側鉆成功后，可按設計正常定向鉆進。

如反復嘗試未能開出分支，可更換大角度單彎螺桿，可提高側鉆成功率，也可根據(jù)地層情況增加劃槽和控時鉆進時長。

2.5 原孔重入

頂板梳狀鉆孔施工過程中，因更換儀器、鉆頭等原因起鉆，鉆具需再次下入原分支孔時，鉆具可能進入前部其他分支孔。本次施工采用調整工具面法保證鉆具再次下入原孔。

因分支孔側鉆均采用向下開分支的方式，先降傾角再扭方位的方式，因此再次下入時，應采用原鉆具組合，調整工具面至原深度側鉆時的工具面，緩慢下放鉆具，測斜點下過側鉆點后測斜，與原孔深傾角、方位進行對比，以判斷是否進入預定分支孔。同時，選用孔口供電式隨鉆測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)不需要開啟泥漿泵即可傳遞信號，可減少對側鉆點處的擾動，提高孔壁穩(wěn)定性，利于鉆具下入原孔。此方法工藝簡單，現(xiàn)場易于實施，本次施工起鉆后原孔重入率達到100%。

3 現(xiàn)場應用

桑樹坪二號井三采區(qū)北運輸大巷向3#煤層頂板梳狀鉆孔按設計施工9 個分支鉆孔總進尺1 188 m，梳狀分支孔實鉆軌跡剖面圖如圖4。

圖4 梳狀分支孔實鉆軌跡剖面圖Fig.4 Combed-branch hole drilling trajectory profile

分支孔鉆遇煤層段雖伴有噴孔、頂鉆現(xiàn)象，但未出現(xiàn)塌孔卡鉆情況，9 個分支孔成孔率為100%，其中煤層段進尺285 m。本次施工按預掘巷道方位線延伸長度為588 m。后續(xù)分段壓裂施工管串成功下至L9分支側鉆點477 m，為水力壓裂增透技術的成功實施和瓦斯預抽采提供可靠通道。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，區(qū)域瓦斯預抽采90 d，瓦斯預抽純量平均1.56 m3/min，是常規(guī)鉆孔瓦斯預抽純量的4 倍以上。從預抽采效果分析，頂板梳狀定向長鉆孔改善預抽效果顯著，充分證明其在掩護巷道掘進中的適用性。

4 結 語

1）分支孔間距設計和側鉆點選擇是頂板梳狀分支孔軌跡控制方案的關鍵因素，同時也決定了分支孔的入煤傾角及在煤層中的延伸距離，根據(jù)后續(xù)預抽采要求，可優(yōu)化分支孔間距，提高預抽效率。

2）為保證水力壓裂工具順利下至最深分支孔，易選用前進式開分支工藝，而鉆孔軌跡的精確控制和原孔重入技術是該工藝實現(xiàn)的前提。

3）現(xiàn)場應用表明頂板梳狀定向鉆孔可有效解決本煤層鉆進掉塊、塌孔等成孔率低及軌跡控制精度低等難題，可為水力壓裂增透技術提供可靠通道，有效提高預掘巷道瓦斯抽采效果，實現(xiàn)梳狀定向長鉆孔掩護巷道安全掘進。